高速射频转换器前端结构评估

本文还将比较各种主动接收机前端设计方法,包括低噪声放大器、全微分放大器和经典的被动宽带巴伦。

交流业绩权衡比较

当将巴伦、LNA和FDAS与单端差(S2d)放大器相比较时 TRF1208 ,在设计宽带、高性能的模拟数字转换器(ADC)接口时,检查所涉及的度量是很重要的。以下五个指标,如果事先考虑,可以帮助保持设计的重点和在轨道上:

· 输入阻抗或电压驻波比(VSWR)是一个无单位参数,它显示有多少功率通过感兴趣的带宽被反射到负载中。网络的输入阻抗是负载的指定值,通常是50欧.

· 带宽仅仅是系统中使用的开始和结束频率,通常是从某个参考点开始的3db。

· 通带平坦度通常被定义为特定带宽范围内可容许的波动或波幅:1.0分贝或 + 例如5分贝。这些水平可以或多或少地用斜率来定义.

· 在交流性能方面,单色调、信噪比和伪自由动态范围物质在双色调环境下是重要的。

· 输入驱动水平是带宽、输入阻抗和VSWR规范的函数。这个级别设置转换器上的全输入信号所需的增益或幅值。它高度依赖于前端元件--巴伦、放大器和抗走样滤波器,是最难实现的参数之一。

要清楚的是,这些指标封装了整个前端接口设计,而不仅仅是ADC。首先考虑这些指标可以帮助你决定是主动的还是被动的。

从本质上讲,您只需要执行由前端带宽、输入驱动器和交流性能组成的频率扫描,以快速评估整个前端设计中的差异。

让我们看看五种不同的前端设计来比较这些度量权衡。 图1 .

图1 五个前端包括仅基于巴伦的设计,一个LNA,一个巴伦加一个FDA,一个单一的FDA,以及TRF1208。

下一个, 图2 显示最多10千兆赫频率的输入带宽和输入驱动级权衡。每个设计的前端带宽给出了-3db带宽和输入驱动器水平达到--在1.4千兆赫的6个DbFF的指示。例如,查看Trf1208,它只需要一个-16dbm的输入信号达到-6个dbff的ADC的全面值。相反地,大约需要+1DBM来达到相同的水平使用宽带巴伦。两者之间,这是17dbm信号强度的差异。巴伦和宽带接口网络造成损耗,从而推高了整个信号链的噪声数字。底线是巴伦造成损失,这也是LNA和FDA前端设计,其中包括一个巴伦用于S2d信号转换。

图2 下面是五个前端设计中的频率响应。

图2说明了从大约直流到8千兆赫的通带平坦度。尽管所有的前端设计都能达到8千兆赫,但每个设计都有各种各样的高峰和低谷需要应对。公平地说,可以根据输入网络价值的变化和设计最终要求来推动这些高峰和低谷。

巴伦有损失,因此宽带巴伦接口将需要更高的信号驱动强度,与+1dbm的信号水平在巴伦的主要,以实现-6dbff的ADC输出。由于所有其他的比较都使用一个有源放大器设备--所有这些设备都有固有的不同增益--所需的输入驱动器水平将会少得多:从-5到-16。您可以进行进一步的分析和前端工作,以"平衡"收益和输入网络损失。与此同时,这些信息确实给了你一些在深入了解交流性能之前的期望。

国家最低标准和国家最低标准排名

在同一带宽上进行频率扫描,捕捉到了信噪比、sfdr和imd3的性能。这些都是典型的标准测试,用于在设计高速转换器时进行比较权衡。

图3 显示了不同配置之间的信噪比权衡。

图3 五个前端设计显示了信噪比值。

看到紫色曲线作为基线性能,您可以看到,宽带巴伦接口提供最好的信噪比性能的转换器的整个带宽。表示LNA方法的绿色曲线是第二个,因为这些类型的有源设备通常具有非常低的噪声数字,加上大约1分贝到2分贝的附加噪声。FDA排在第三位,因为它比LNA有更多的宽带噪声,但少于trf1208。在单端输入配置中使用FDA时,共有模式的噪声消除存在一个小问题,因为它对输入的固有设计预期会有完全的差异信号。使用这种类型的配置将略微影响信噪比。

Trf1208是最后一个进入的,但是,它有更多的输出噪音,因为它比FDA有更高的收益。请记住,一个更高的主动增益将有一种倾向,获得设备自己产生的噪音。例如,对于2千兆赫模拟输入信号,trf1208的增益等于16分贝,噪音数字等于8分贝,输出噪音为150.7分贝/赫兹。FDA的增益等于10分贝(S2d),噪音数字等于11分贝(在-163.3分贝/赫兹时),输出噪音产生-153.3分贝/赫兹。

所有的设计都被配置为尽可能大的带宽,如图2所示。在任何主动设计中,通过在放大器输出和ADC输入之间使用抗干扰滤波器减少带宽,将有助于减少感兴趣的波段之外的宽带噪声。它还将有助于减少转换器所看到的噪音,从而将信噪比推向基线性能,如图1所示(WBALAN+5200rfADC)。

图4 展示了从线性角度出发的SFDR动态范围,不同前端配置之间的10GGZ频率扫描。SFDR是一种单音调测量,它为在感兴趣频率范围内的任何限制谐波--第二次谐波,第三次谐波,第四次谐波--提供了一个很好的视角。

图4 SFDR值显示为5个前端设计。

再次看到紫色曲线作为基线性能,你可以看到,在转换器的整个带宽上,宽带巴伦接口将产生最好的sfdrr。表示LNA的绿色曲线显示了非常退化的性能,特别是在最高5千兆赫的较低波段,因为考虑到LNA的单端性质,偶序失真(hd2)将始终占主导地位。hd2最终会从ADC的带宽中消失。

当使用差速器前端方法时,FDA在0.5-3.5Gz区域似乎有一些第三级控制。当使用单端方法时,在0.5-5GZ范围内更明显地出现更均匀的退化优势。

TRF1208一直与无源基线前端保持一致,这说明了为什么这个放大器在需要有源设备的宽带前端是一个更好的选择。

双色调测量

另一种常见的转换器测试度量,双音测量产生IMD3结果或三阶互调失真,并快速模拟实际系统应用信号。简单地说,双音测量可以同时对注入前端接口的两个信号进行积极评估。这两个信号通常相互偏移10兆赫,并被驱动到同一水平,或-7分贝。 图5 显示IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)的结果。虽然被捕捉到,这个数字不包括IMD3-(2×f1-F2或2×F2-F1),以方便清晰地说明性能差异。

图5 这就是IMD3+在五个前端设计中的样子。

紫色曲线再次说明基线性能,您可以看到,宽带巴伦接口将产生最好的IMD3性能可能在转换器的整个带宽。绿色曲线,代表LNA,显示了相对于宽带巴伦界面退化的性能。代表FDA接口的蓝色和黑色曲线在性能上以及相对于基线的性能上都降低了,最高可达5千兆赫。TRF1208在整个频率扫描中与被动基线前端保持一致。再次,它表明了为什么这个放大器是一个更好的选择,在宽带前端需求。

此外,被评估的FDA有两个电源,一个负电源,消耗巨大的1.8瓦电源,以保持噪音低。这是一个经典的方法,可以降低噪音,增加放大器的空间,在设计上投入更多的功率。LNA耗电最少,只有0.275瓦,只有一个5V电源。TRF1208只需一个5V的供应,只需消耗0.675瓦。

本文的目的是为ADC模拟前端接口设计的陷阱提供快速启动指南,以及一些有用的和熟悉的设计比较和介绍新的TRF1208微分放大器。在任何新的宽带前端设计中,建议对度量权衡进行评估,并事先仔细规划。注意相位不平衡,因为如果在应用程序的频率计划中存在甚至顺序扭曲,它会造成严重破坏。考虑到巴隆和放大器的特点及其优缺点,重要的是要回顾权衡和明智的选择。